当前课程知识点:微积分(先修课) > 第六章 积分法与反常积分 > 6.3 有理函数的积分法 > 6.3.1 有理函数的积分法(1)
同学们 大家好
欢迎来到大学先修课微积分课程
今天我们介绍第六章
积分法与反常积分
第三节有理函数的积分法
本讲将介绍
一类特殊函数的积分问题
这就是有理函数
也就是多项式之比的积分问题
首先我们来看一下
有理函数的积分
我们先介绍几个概念
我们假设Pnx与Qmx
分别表示的是n次和m次多项式
我们就称Qmx除上Pnx
是一个有理函数
也就是说有理函数指的就是
多项式函数之比
如果分子的次数M
小于分母的次数N
那么这样的有理函数
我们又称为是真分式
如果分子的次数M
不小于分母的次数时
这样的有理函数
我们就称为是假分式
特别的对于下面
这四个特殊的有理函数
也就是A除上ax加b
A除上ax加b括起来的k次方
Bx加C除上px方加qx加r
Bx加C除上px平方
加qx加r扩起来的k次方
这四个特殊的有理函数
我们就称为是最简分式
有时候也称他们是部分分式
这是我们需要了解的
关于有理函数的几个基本概念
下面我们再给出一个常用的结论
也就是定理6
任意一个假分式
都可以表示成一个多项式
与一个真分式之和
具体的表示方法实际上用的
就是多项式的除法
我们假设m是大于等于n的
那么这个假分式Qmx除上Pnx
它就可以写成是一个多项式
Sx再加上一个真分式
我们表示成是Rx除上Pnx
在这Sx一般
是称为这个比的整式部分
而Rx则称为是他的余式部分
如果一个假分式
表现成了这个形式
那么这个假分式的积分
就可以写成是多项式的积分
再加上一个真分式的积分
多项式的积分是没有问题的
它用的主要就是
幂函数的原函数
这样我们知道
所谓的有理函数的积分
也就转化成了真分式的积分
下面我们主要来讨论
如何求真分式的原函数
我们先看几种特殊的情况
第一种情况我们考虑
分母是一次重因式的
真分式的积分法
我们通过一道具体的例子
来解释一下这种情况的
一般的积分方法
我们求5倍的x平方加3
除上x加2括起来3次方
它的原函数
或者是求它的不定积分
这就是一个分母
是一次重因式的
真分式作为被积函数
对这样的被积函数
我们根据它分母的形式
我们就可以将这个被积函数
表示成是3个最简分式的和
也就是表示成A除上x加2
再加上B除上x加2的平方
最后再加上C除上
x加2括起来的3次方
我们对这个等式的右端通分
就会得到
右端就变成了
A乘上x加2括起来平方
加上B乘上x加2再加上C
再除上x加2括起来的三次方
在这个等式的最左端和最右端
分母是相同的
所以分子应该相等
我们知道多项式相等
它的充分必要条件是
对应项系数相等
利用分子的对应项系数相等
我们就得到了ABC三个待定系数
满足的一次方程组
我们求解这个一次方程组
就得到了A等于5
B等于负20 C等于23
这样我们就将被积函数
表示成了三个具体的
最简分式之和
所以我们要求的
不定积分就变成了
这三个最简分式的
不定积分做加减
第一个它的原函数
是5倍的lnx加2
第二个它的原函数
应该就是20除上x加2
这用的是x方分之1的原函数
是负的x分之1这个公式
第三个它的原函数是
负的23再除上
2倍的x加2括起来平方
这实际上也是
一个简单幂函数的
原函数公式
这样我们就求出了
我们要求的不定积分
这就是我们要介绍的
第一种特殊情况
也就是当真分式的分母
是一个一次项k次方的形式
这个时候这个真分式
我们一般的
可以分解成下面这k项之和
这k项分别是A1除上ax加b
加上A2除上ax加b的平方
一直加到Ak除上ax加b的K次方
这里A1 A2 Ak是待定系数
我们通过通分
并且比较分子对象的系数相等
得到待定系数满足的一次方程组
就可以把待定系数求出来
下面我们看第二种特殊情况
也就是分母是不同的
一次因式的乘积的
这样的真分式 它的积分法
我们看一般的情况
我们假设我们考虑的不定积分
被积函数是cx加d
除上x减a再乘上x减b
对于这样的被积函数
我们可以将它表示成A除上x减a
加上B除上x减b
也就是将它表示成了
两个最简分数之和
这大写的AB是待定系数
同样
我们将等式的右端进行通分
并且比较等式的最左端
和最右端分子的对应项系数
我们就会得到待定系数A B
满足的一次方程组
这样就可以求出待定系数的值
也就是把这样的被积函数
它的不定积分问题
转化成了两个最简单的
最简分式的不定积分问题
这就是这种情况
我们一般的处理方法
我们看一个具体的问题
我们求x减2除上x减3乘上x减5
它的不定积分
我们直接把被积函数
表示成A除上x减3
加上B除上x减5之和
我们通分
并且比较等式的
最左端和最右端
x 它的系数和
常数项它们的关系
就会得到待定系数
A B满足的方程组
也就是A加B等于1
5倍的A加3倍的B等2
这样我们就会解得
A等负2分之1 B等2分之3
所以我们的被积函数
就写成了两个具体的
最简分式之和
那么我们要求的不定积分
也就变成了这两个
最简分式的不定积分
这样求得最后的结果是
负的2分之1倍的lnX减3绝对值
再加上2分之3倍的lnX减5绝对值
最后加上积分常数C
这是我们要介绍的
第二种特殊情况
下面我们看第三种情况
真分式的分母是二次多项式
这样的被积函数
它的积分方法
我们在这强调一下
真分式的分母是二次多项式
这个二次多项式
在实数范围里面是没有零点的
我们先看第一种情况
如果被积函数是常数
1除上x方加上px加q
在这我们是假设
p方减4q是小于0的
对这样的不定积分
我们就对分母这个二次多相式
做配方运算
配方完之后
我们用u表示x加2分之t
用A方表示4分之4q减p方
那么我们的不定积分
就转化成了
u方加A方分之1
它的不定积分问题
在前面我们曾经求过
这个不定积分
就等于A分之1倍的arctanA分之u
再加上常数C
我们将u与x的关系代回就得到了
我们要求的不定积分的表达式
这是在这种情况下
第一类函数
也就是说分子是常数
分母是一个二次多项式
下面我们来看一下
这个时候的第二种情况
也就是真分式是ax加b
除上x方加px加q
这个时候分子
就是一个一次多项式
对于这样的不定积分
我们首先将分子的一次项部分
我们给它凑成分母的导数
常数项部分我们单独处理
也就是我们就把
我们要求的不定积分
变成了2分之a倍的分母的导数
乘上bx再除上分母
再加上一个常数部分
乘上1除上x平方
加px加q的不定积分
这样我们就把
我们要求的不定积分
变成了两部分
第一部分是2分之a这个常数
乘上被积函数是分母的导数
除上分母
再求不定积分
第二部分是变成一个常数
再乘上被积函数是1除上x方
加px加q的不定积分
在这两个不定积分中
第二个不定积分在前面
我们刚刚讨论过它的处理方法
而第一部分这个不定积分
也就是要求f′比上f的原函数
根据凑微分
我们知道它的原函数
应该是f绝对值的自然对数
这样我们就把
我们要求的不定积分
给处理完了
这是我们介绍的
第三种特殊情况
下面第四种情况
当真分式的分母
是一个二次重因式的时候
对于这样的被积函数
我们怎么样求它的不定积分
我们看一道具体的题目
我们求x3次方
减去2倍的x平方加1
再除上x平方加x加1括起来平方
求这个真分式的不定积分
对于这个被积函数
我们将它写成
两个最简分式之和
第一个最简分式是
大写的A1x加上大写的B1
再除上x方加x加1
第二个最简分式是
大写的A2乘上x
再加上大写的B2
再除上x方加x加1括起来平方
我们对这个等式的右端通分
我们就会得到这个分子
是一个三次多项式
三次方的系数是A1
平方项的系数是A1加B1
一次项的系数是
A1加A2再加B1
常数项是B1加B2
我们比较这个等式的最左端
和最右端分子对应项的系数
就会得到我们的待定系数
AB满足的一次方程组
我们求解这个方程组
就会得到A1等于1
B1等负3 A2等2 B2等4
这样我们就把我们的被积函数
写成了两个具体的
最简分式之和
下面我们来看
这两个最简分式的原函数
或者是不定积分 它的求法
对于第一个最简分式
它的不定积分
我们就按照刚才介绍过的方法
首先将分子的一次项
凑成是分母这个
二次多项式的导数
这样我们就把这个不定积分
写成了两部分
第一部分用凑微分法
第二部分对于分子
是常数的这个被积函数
我们将分母进行配方
最后我们就得到了
这个最简分式
它的原函数是
2分之1倍的x方加x加1
它的自然对数
再减去2分之7乘上根下3分之2
再乘上arctan根下3分之2x加1
这是第一个最简分式的原函数
跟第二个最简分式
他的不定积分
我们的处理方法是这样子的
对于分子上的一次方部分
我们首先还是
把它凑成是分母中
这个二次多项式的导数
这样我们也把
这个最简分式的不定积分
写成了两个不定积分之和
对于第一个不定积分
它相当于是u′乘上u的平方
它的原函数
我们利用凑微分法
就可以求出第一个不定积分
而对第二个不定积分
也就是对分子是常数的
这个真分式的不定积分
对分母这个二次多项式
我们仍然进行配方运算
这样就将我们要求的
这个最简分式的不定积分
变成了我们最后这个等式中
第二个不定积分
对最后这个表达式中的
这个不定积分
我们在前面介绍分部积分法时
曾经得到过一个
简单的递推关系
利用那个递推关系
我们就会求得这个不定积分
就等于两倍x
除上3倍的括号里面
x方加上4分之3
再加上4除上3倍的根下3
再乘上arctan根下3分之2x
我们当时得到的
递推关系是这样子的
也就是我们用ln来表示
1除上a方加x方括起来n次方
它的不定积分
那么我们就得到了ln加1
就等于2n减1除上2na方
再乘上ln再加上x除上2na方
再乘上a方加x方括起来的n次方
在这个题目中我们的n是等于1的
n加1是等2的
这样我们就得到了我们要求的
第二个最简分式的不定积分
所以我们要求的原来的不定积分
就等于这两个最简分式的
不定积分之和
也就得到了它最后的表达形式
这是对于这种特殊情况下
我们求这个真分式的不定积分的
一般处理方法
对于这类问题尽管具体的计算量
一般比较偏大
但是它的处理思路
应该说还是明确的
也就是将我们要求
不定积分的真分式
表示成最简分式之和
而对于最简分式
它的不定积分从理论上来讲
我们都是可以求出的
下面我们介绍
最后一种特殊情况
也就是第五种特殊情况
我们考虑真分式的分母
是一次因式与二次因式乘积的
这样的被积函数
看一看对于这样的被积函数
我们怎么样求它的不定积分
我们讨论一般的情况
我们假设被积函数分子
就是bx方加Cx加d
分母一个一次因式是x减a
一个二次因式是x方加px加q
对于这样的被积函数
我们根据它分母的形式
我们就把它表示成
两个最简分式之和
第一个最简分式
就是大写的A除上x减a
第二个最简分式
是大写的B乘上x
再加上大写的C
再除上原来分母上的
这个二次因子
在这我们同样
对等式的右端做通分运算
并且比较最后得到的
分子对应项的系数
我们就会得到bx方加cx加d
应该等于右边这个二次多项式
通过相应项系数相等
就会得到待定系数
大写的ABC满足的一次方程组
求解这个一次方程组
就可以求出待定系数ABC的值
也就是说通过这种方式
我们确实能够把被积函数
表示成两个最简分式之和
这样就把我们要求的不定积分
变成了最简分式的不定积分问题
下面我们对上面我们讨论的
五个特殊情况中
所牵扯到的简单的积分
做一下总结
在上面的讨论中
我们牵扯到了ax加b分之A
它的不定积分问题
这是一个简单的
幂函数的不定积分
所以大家应该是比较熟悉的
我们牵扯到的
第二个不定积分式
A除上ax加b括起来的k次方
它的不定积分
这也是一个简单的幂函数的
不定积分问题
第三个牵扯到的不定积分
是分子是一次多项式
也就是bx加c
分母是一个一般的二次多项式
用px平方加上qux加r表示
分母在实数范围里面
是没有实根的
对于这样的不定积分
我们的处理方法
就是首先把分子中的一次项
透成分母的导数
那么就把这样的不定积分
变成了两个不定积分之和
第一个就是f′
除上f的不定积分
第二个我们将分母进行配方
就变成了u方加a方分之1的
原函数问题
这样我们这个不定积分
也有一般的处理方法了
牵扯到的第四个
简单的不定积分是
分子上是一次多项式
Bx加c
分母上是一个
二次多项式的k次方
对这样的不定积分
我们处理的思路
仍然是这样子的
分子上的一次多项式
先凑成分母上
二次多项式的导数
那么这个不定积分
就变成了u′除上u的k次方
它的原函数问题
利用凑微分法
这就是一个简单的
幂函数的原函数问题
而第二个不定积分
我们将括号里面的二次多项式
进行配方
就变成了u方加a方括起来
k次方分之1它的不定积分
这个不定积分从理论上讲
我们可以利用
在分部积分法部分
得到的递推关系
就会求得它的原函数
这是我们上面五种特殊情况下
最后要处理的简单的
不定积分问题
我们在前面介绍有关概念时
一定强调过在这我们碰到的
这四类简单积分的被积函数
就是我们所说的
有利函数中的最简分式
最后我们给出一个一般的结论
我们假设Qx
比上Px是一个真分式
那么这个真分式从理论上讲
就可以表示成最简分式之和
而且它的表示形式是唯一的
也就是说从理论上讲
真分式的不定积分问题
就转化成了最简分式的
不定积分问题
当然 在处理具体问题时
我们关心的是如何表示
它的表示方法是这样子的
如果我们能够写出
这个真分式分母的
因式分解的形式
当多项式的系数是实数时
在实数范围里面
我们可以将分母
分解成一次因式
或者是一次因式的k次方
再乘上二次因式
或者是再乘上二次因式的r次方
这样的形式
也就是说在实数范围里面
分母一定是
可以分解成一次因式
和二次因式的乘积的
如果知道了
这个因式分解的形式
那么我们这个真分式
就可以分解成
一些最简分式的和
分解的原则是
分母中的单纯的一次因子
就对应着一项
也就是A除上a1x加上b1
分母中的k中一次因子
就对应着k项
分别是A1除上a2x加上b2
一直加到Ak除上
ax加上b2括起来k次方
分母中的单重的二次因子
对应着一项
就是bx加C除上
这个单重的二次因子
而分母中的r重二次因子
对应着r项
也就是我们表达式中
最后这个中括号中的项
分别是B1x加C1
除上这R次因子
一直加到Brx加上Cr
除上这个二次因子的r次方
这样从理论上讲
我们就将有理函数的积分问题
通过转化成多项式的积分问题
和真分式的积分问题
而真分式的积分问题
我们就可以转化成
最简分式的积分问题
所以说从理论上讲
有理函数的积分法就解决了
有理函数求原函数的所有问题
在这一讲中我们给出了
有理函数的有关理论结果
并介绍了最简分式的
具体积分方法
总结起来也就是
一 假分式可以通过多项式除法
表达成多项式与真分式之和
二 真分式在它的分母分解成了
一次因子和二次因子的乘积之后
可以利用待定系数法
表示成最简分式之和
这样通过代数运算
我们就将有理函数的积分
转化成了多项式
和最简分式的积分
所以说有理函数的原函数
一定是初等函数
而且我们一定能求出它的原函数
在处理具体的有理函数积分时
一方面将一个实系数多项式
分解成一次因子
和二次因子的乘积
是一件非常困难的事情
另外一方面
待定系数法本身的计算量
也是非常大的
所以说上述的方法
更多的是强调了一个很好的理论结果
在求具体的有理函数积分时
我们还是要具体题目具体分析
尽可能寻找简单的特殊方法
下一讲将介绍三角有理式的积分
谢谢同学们
下一讲 再见
-0.1 绪论
--0.1.1 绪论
-1.1 极限概念引例
--第1.1节测试 极限概念引例
-1.2 极限的概念
--第1.2节测试 极限的概念
-1.3 极限的性质
--第1.3节测试 极限的性质
-1.4 极限的运算
--第1.4节测试 极限的运算
-1.5 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(1) 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(2) 夹逼定理与单调有界收敛定理
-1.6 两个重要的极限
--第1.6节测试 两个重要的极限
-1.7 无穷小量
--第1.7节测试 无穷小量
-2.1 连续函数的概念
--第2.1节测试 连续函数的概念
-2.2. 初等函数的连续性结论
--第2.2节测试 初等函数的连续性结论
-2.3 连续函数的性质
--第2.3节测试 连续函数的性质
-3.1 导数与导函数
--第3.1节测试 导数与导函数
-3.2 微分
--3.2.1 微分
--第3.2节测试 微分
-3.3 导数的运算
--第3.3节测试 导数的运算
-3.4 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--3.4.1 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--第3.4节测试 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
-3.5 高阶导数
--第3.5节测试 高阶导数
-4.1 极值和极值点
--第4.1节测试 极值和极值点
-4.2 微分中值定理
--第4.2节测试 微分中值定理
-4.3 洛必达法则
--第4.3节测试(1) 洛必达法则
--第4.3节测试(2) 洛必达法则
-4.4 函数单调性的判定
--第4.4节测试 函数单调性的判断
-4.5 函数的极值及其求法
--第4.5节测试 函数的极值及其求法
-4.6 函数的最值及其应用
--第4.6节测试 函数的最值及其应用
-4.7 曲线的凸性和拐点
--第4.7节测试 函数的凸性和拐点
-4.8 曲线的渐近线
--第4.8节测试 曲线的渐近线
-4.9 泰勒(Taylor)公式
--第4.9节测试 泰勒公式
-4.10 原函数与微分方程初步
--第4.10节测试 原函数与微分方程初步
-5.1 定积分问题举例
-5.2 定积分的概念
--第5.2节测试 定积分的概念
-5.3 定积分的基本性质
--第5.3节测试 定积分的性质
-5.4 微积分基本定理
--第5.4节测试 微积分基本定理
-5.5 定积分的几何应用
--第5.5节测试 定积分的几何应用
-5.6 定积分的物理应用
-6.1 换元积分法
--第6.1节测试 换元积分法
-6.2 分部积分法
--第6.2节测试 分部积分法
-6.3 有理函数的积分法
--第6.3节测试 有理函数的积分法
-6.4 定积分应用举例
--第6.4节测试 定积分应用举例
-6.5 反常积分
--第6.5节测试 反常积分
-7.1 无穷级数
--第7.1节测试 无穷级数
-7.2 正项级数
-7.3 比值判敛法和根式判敛法
--第7.3节测试 比值判敛法和根式判敛法
-7.4 一般项级数
--第7.4节测试 一般项级数
-7.5 幂级数
-7.6 函数的幂级数
--第7.6节测试 函数的幂级数
-7.7 泰勒级数
--第7.7节测试 泰勒级数
-7.8 幂级数的简单应用
-8.1 一阶可求解常微分方程
--第8.1节测试 一阶可求解常微分方程
-8.2 一阶线性微分方程
--第8.2节测试 一阶线性微分方程
-8.3 二阶线性常系数微分方程
--第8.3节测试 二阶线性常系数微分方程
-8.4 常系数微分方程简单应用举例
-期末考试
--期末考试说明
-期末考试--期末考试